光谱法检测皮肤病的研究进展

2022-03-30于秀琪李文彬刘春宇

科技创新与应用 2022年8期

于秀琪，李文彬，刘春宇，谭勇，张莹

（长春理工大学理学院吉林省光谱探测科学与技术高校重点实验室，吉林长春 130022）

皮肤是人体最重要的器官之一，它与人体的健康有着密不可分的联系。皮肤病大多具有普遍性、复发性的性质，通常的发生位置位于人体体表，皮肤疾病不仅会使患者遭受生理及精神上的痛苦，严重的皮肤疾病还会导致患者死亡。据统计，全球平均每10人中就有1名皮肤病患者。因此，皮肤病的早期诊断对于患者的治疗具有重要意义。而光谱法具有无创、快速、灵敏的检测优势，将该技术引入到皮肤病检测中已成为相关领域的研究热点。

1 荧光光谱检测法

皮肤癌是人类最严重的皮肤疾病之一，其特点是死亡率高，治疗复杂。为了辅助医生进行快速有效的诊断，引入了光谱学手段进行病变组织检测与诊断。Drakaki等[1]采用16例基底细胞癌病变组织和4例对照正常组织进行了对照试验（检测装置如图1所示），利用荧光光谱技术对正常组织和病变组织进行检测，观察到其特征峰值分别为435 nm和456 nm，并建立分类模型，成功鉴别基底细胞癌病变组织与正常皮肤组织。张玲玲等[2]利用外源光敏剂ALA-PpIX在405 nm的激光诱导荧光技术下对小鼠鳞状细胞癌诊断，发现病变组织和正常皮肤组织在635 nm附近特征峰荧光强度明显不同，证实此外源光敏剂是一种有效辅助临床初步筛选鳞状细胞癌的诊断方法，其光谱如图2所示。

图1 荧光检测装置图[1]

图2 敷2%浓度的ALA鳞癌小鼠在不同时间点的正常皮肤和鳞癌种植瘤区域荧光光谱[2]

Khristoforova等[3]采用样本为体内不同种类皮肤病变组织28例（包括14例黑色素瘤），体外不同种类皮肤病变组织88例（包括34例黑色素瘤），在810~870 nm近红外波段利用自体荧光采集病变组织数据，对比数据验证已建立的指数公式模型得出2个判断黑色素瘤的指标，利用所得到的指标诊断黑色素瘤，其体外与体内诊断正确率高达88.4%和86.2%。Gillies等[4]检测银屑病病变皮肤及其成分的光谱学信息时，观察到正常皮肤组织对比病变组织的色氨酸特征光谱处荧光强度相对较弱，研究者还发现正常皮肤组织的真皮组织相对病变组织处荧光信号十分强烈，从而间接地证明了银屑病病变组织色氨酸显著提升。

2 漫反射光谱检测法

漫反射光谱检测技术具有结构简单、成本效益高和光谱信息丰富等特点，被广泛应用于研究各种组织类型的生理状态。Tzeng等[5]在500~900 nm波长范围内的漫反射光谱中发现银屑病皮肤的氧化和脱氧血红蛋白浓度与正常部位不同，但其他皮肤功能参数，如黑色素、胶原蛋白和散射系数，银屑病患者和正常患者之间没有明显差异。Yang等[6]发现在水吸收的1 230~1 380 nm波段附近，皮肤吸收光谱拟合残差和光散射特性是区分银屑病病变皮肤与相邻未受损皮肤和正常部位的有效参数。

3 偏振反射光谱检测法

偏振反射光谱具有偏振敏感、非侵入和检测速度快等特点。赵庆亮等[7]应用这种方法研究位于前臂表面局部皮肤的反射光谱，由红斑不同颜色深度而导致的一定程度的线偏振反射所组成的偏振反射光谱。通过分析不同偏振度条件下的反射光谱强度与血红蛋白含量的关系，并建立对应数学模型，可估算出红斑皮肤上表皮的厚度。

4 反射光谱和荧光光谱相结合检测法

陈荣等[8]运用反射光谱和荧光光谱的技术联合，对具有白色与浅白颜色深度不同的白癜风皮肤与正常肤色进行对比研究。研究发现，反射光谱与荧光光谱强度随着黑色素含量增强而减弱；白色、浅色白癜风皮肤与正常皮肤的反射光谱有着显著的差别，从而证实反射光谱可以简单明了地反映皮肤表面的黑色素分布情况。南妙晴[9]测量36例基底细胞癌组织切片，得到基底细胞癌皮肤的显微荧光图像，选取样本的不同组织所处位置的微小区域分别测量其荧光光谱。从荧光图像中还可看到，角质层、表皮层和真皮层三者荧光强度差异较大，真皮层荧光信号最强，表皮层几乎没有荧光信号。

5 吸收光谱检测法

黑色素异常是引起色素性皮肤疾病的主要原因。胡志强等[10]分析了光在皮肤中的吸收光谱、穿透深度和色素分布三者之间的关系，用755 nm处的吸收比分析出病灶浅层色素平均密度的大小，并与1 064 nm的吸收比进行对比分析，得到深层色素的密度大小，并且进行了61例病患的临床测试，验证了理论的正确性。

6 拉曼光谱检测法

拉曼光谱是一种灵敏度高、无损、快速的光学检测技术，能够测量活体组织中生物分子的振动模式。拉曼光谱为表征与恶性转化相关的组织生化变化提供了指纹信息，因此在提高临床肿瘤检测方面具有很大的潜力。Zhao等[11]建立了一套体内组织拉曼光谱检测平台，其检测特点是能快速得到较强的拉曼光谱信号。并对645个皮肤病变进行了数据分析，包括常见的皮肤癌和癌前病变（基底细胞癌、鳞状细胞癌、黑色素瘤、光化性角化病）和视觉上与皮肤癌相似的良性病变（脂溢性角化病、不典型痣等）。

7 红外光谱检测法

衰减全反射-傅里叶变换红外光谱法（ATR），可通过收集样品表面的反射信号获得组织样品表层有机成分的信息。姜恒等[12]对比健康皮肤与患银屑病皮肤的ATR光谱，发现健康皮肤的酰胺Ⅰ为1 647 cm-1，酰胺吸收带Ⅱ位于1 593 cm-1和1 544 cm-1，而银屑病皮肤的酰胺Ⅰ峰为1 642 cm-1，比健康皮肤的波数降低了5 cm-1，酰胺吸收带Ⅱ变化更为明显，1 593 cm-1处吸收峰消失，并且在1 500-1 800 cm-1各吸收峰发生了波数的位移。这些结果表明，银屑病皮肤的酰胺键发生了水解，蛋白质结构遭到破坏。

8 高光谱成像检测法

近年来，高光谱成像（HSI）已成为医学领域的热门话题。HSI技术不仅可以实现对皮肤组织无创、快速、灵敏检测，且具有高分辨率、可成像的特点。Chen等[13]利用高光谱成像技术，采集1名银屑病患者和39名健康患者的皮肤数据，使用光谱角度映射器来分析高光谱成像数据，建立了银屑病评估方法与可视化光谱剖面图。